Uma perovskita comumente estudada pode superfluorescer em temperaturas que são práticas de se atingir e em escalas de tempo longas o suficiente para torná-la potencialmente útil em aplicações de computação quântica. A descoberta de pesquisadores da North Carolina State University também indica que a superfluorescência pode ser uma característica comum para toda esta classe de materiais.

A superfluorescência é um exemplo de transição de fase quântica - quando átomos individuais dentro de um material se movem pelas mesmas fases em tandem, tornando-se uma unidade sincronizada.

Por exemplo, quando os átomos em um material óptico, como uma perovskita, são excitados, eles podem irradiar luz individualmente, criar energia, e fluorescem. Cada átomo começará a se mover através dessas fases aleatoriamente, mas dadas as condições certas, eles podem sincronizar em uma transição de fase quântica macroscópica. Essa unidade sincronizada pode então interagir com campos elétricos externos mais fortemente do que qualquer átomo poderia, criando uma explosão superfluorescente.

"As instâncias de sincronização espontânea são universais, ocorrendo em tudo, desde órbitas planetárias a vagalumes sincronizando seus sinais, "diz Kenan Gundogdu, professor de física da NC State e autor correspondente da pesquisa. "Mas no caso de materiais sólidos, pensava-se que essas transições de fase aconteciam apenas em temperaturas extremamente baixas. Isso ocorre porque os átomos saem de fase muito rapidamente para que a sincronização ocorra, a menos que o tempo seja retardado pelo resfriamento. "

Gundogdu e sua equipe observaram superfluorescência no iodeto de chumbo perovskita metil amônio, ou MAPbI ₃ , enquanto explora suas propriedades de laser. As perovskitas são materiais com estrutura cristalina e propriedades emissoras de luz, úteis na criação de lasers, entre outras aplicações. Eles são baratos, relativamente simples de fabricar, e são usados ​​em energia fotovoltaica, fontes de luz e scanners.

"Ao tentar descobrir a dinâmica por trás do MAPbI ₃ propriedades de laser de, notamos que a dinâmica que observamos não poderia ser descrita simplesmente por comportamento lasing, "Gundogdu diz." Normalmente, no lasing, uma partícula excitada emite luz, estimular outro, e assim por diante em uma amplificação geométrica. Mas com este material, vimos a sincronização e uma transição de fase quântica, resultando em superfluorescência. "

Mas os aspectos mais impressionantes da superfluorescência é que ela ocorreu a 78 Kelvin e teve uma vida de fase de 10 a 30 picossegundos.

"Geralmente a superfluorescência acontece em temperaturas extremamente frias que são difíceis e caras de alcançar, e dura apenas femtossegundos, "Gundogdu diz." Mas 78 K é sobre a temperatura do gelo seco ou nitrogênio líquido, e o tempo de vida da fase é duas a três ordens de magnitude mais longo. Isso significa que temos unidades macroscópicas que duram o suficiente para serem manipuladas. "

Os pesquisadores acham que esta propriedade pode ser mais difundida em perovskitas em geral, que pode ser útil em aplicações quânticas, como processamento ou armazenamento de computador.

"A observação da superfluorescência em materiais de estado sólido é sempre um grande negócio porque só vimos em cinco ou seis materiais até agora, "Gundogdu diz." Ser capaz de observá-lo em temperaturas mais altas e escalas de tempo mais longas abre a porta para muitas possibilidades emocionantes. "

O trabalho aparece em Nature Photonics e é apoiado pela National Science Foundation (concessão 1729383). Os alunos de pós-graduação da Carolina do Norte, Gamze Findik e Melike Biliroglu, são os co-autores. Franky So, Walter e Ida Freeman Distinto Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, é co-autor.